Žarnyno flora: gaukite daugiau energijos iš mažiau maisto

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Ištyrus moterį, besiskundžiančią nuolatiniu viduriavimu ir ūmiu pilvo skausmu, nustatytas ūmus gaubtinės žarnos uždegimas, kurį sukėlė Clostridia. Atsižvelgiant į bakterijų atsparumą antibiotikams, pacientui buvo pasiūlytas eksperimentinis, bet efektyvus gydymo būdas – donorinės mikrobiotos (žarnyno mikrofloros) transplantacija.

Į paciento žarnyną patekus 600 ml donoro išmatų suspensijos, ligos atkryčių nebebuvo stebima – donoro mikrobiota sėkmingai išstūmė ligos sukėlėją ir užėmė jo nišas. Tačiau po metų moteris gydytojui pasiskundė sparčiu svorio augimu, o visą gyvenimą iki transplantacijos turėjo normalų ir stabilų kūno svorį. Nuo procedūros momento prieaugis siekė 15 kg, o bendras kūno svoris siekė 77 kg ūgio 155 cm. Nepaisant fizinio pasirengimo ir dietos, paciento svoris netrukus viršijo 80 kg. Gydytojas pastebėjo, kad apskritai sveikas donoras taip pat turi antsvorio ir leido per mikrobiotą „užkrėsti“nutukimu. Iš pirmo žvilgsnio tokia drąsi prielaida turi tvirtą įrodymų bazę. Šiame straipsnyje kalbėsiu apie mikrobiotos poveikį virškinimui ir kodėl mažėja jos rūšių įvairovė, o vienodumas didina nutukimo riziką.

glagolas.

Įvadas

Tikimybė paveldėti nutukimą siekia 80%, tačiau individualūs branduolinio genomo skirtumai sudaro mažiau nei 2% populiacijos kūno svorio kintamumo. Be to, branduolinis genomas vaikui perduodamas beveik vienodai iš kiekvieno iš tėvų, tačiau vaikai nutukimą paveldi žymiai dažniau iš savo mamų. Šis reiškinys dažnai aiškinamas įtaka mitochondrijų, turinčių savo DNR ir kurių nėra spermatozoidų galvutėje, metabolizmui, todėl mitochondrijų genomą embrionas paveldi tik iš motinos kiaušinėlio. Tačiau mitochondrijų genomo tyrimo rezultatai paaiškina dar mažiau nutukimo paveldėjimo atvejų. Taigi, jei šios ligos paveldėjimą tik iš dalies lemia branduolinis ir mitochondrijų genomai, tai galbūt nutukimas vaikams perduodamas daugiausia per trečiąjį žmogaus genomą – mikrobiomą (mikrobiotos genų rinkinį), kuris taip pat paveldimas iš motina?

Mikrobiomo paveldimumas ir kintamumas

Intrauterinį vystymąsi lydi absoliutus vaisiaus sterilumas, kuris pirmą kartą gauna mikrobiotą, įveikdamas gimdymo kanalą natūralaus gimdymo metu. Todėl natūraliai gimę kūdikiai turi įvairesnę mikrobiotą nei išgauti cezario pjūvio būdu. Be to, tyrimai parodė, kad vaikai, gimę po cezario pjūvio, turi didesnę nutukimo riziką. Nepaisant to, žindymo sąlygomis šių vaikų mikrobiotos sudėtis palaipsniui normalizuojasi, o tai užtikrina bifidobakterijų ir laktobacilų, slopinančių oportunistinių bakterioidų ir klostridijų populiacijas, dominavimą. Natūralus gimdymas ir žindymas sudaro mikrobiotos stuburą, kuris paprastai trunka visą gyvenimą. Tolesnis mikrobiotos praturtinimas kitų rūšių bakterijomis priklauso nuo gyvenimo būdo.

Taigi, pavyzdžiui, vaikų darželio lankymas yra reikšmingas ir nepriklausomas veiksnys didinant mikrobiotos rūšių įvairovę. Kita vertus, plačiai paplitęs antibiotikų ir antiseptikų vartojimas bei griežtos sanitarijos ir higienos normos mažina mikrobiotos mainų tarp žmonių kursą ir jos įvairovę (daugiau apie antibiotikų poveikį mikrobiotai ir blogam burnos kvapui skaitykite čia). Taigi galime kalbėti apie mikrobiomo paveldimumą ir kintamumą.

Mikrobiotos struktūra

Su amžiumi bakterijų ląstelių skaičius žarnyne palaipsniui pasiekia 100 trilijonų, o tai 10 kartų viršija paties organizmo ląstelių skaičių suaugusiam žmogui. Tuo pačiu metu dėl mažo bakterijų dydžio visa mikrobiota sveria iki 2 kg ir telpa storojoje žarnoje.

Apie 60% tiesiosios žarnos turinio yra mikroorganizmai, kurių kolonijos auga ant augalinio maisto skaidulų (celiuliozės), naudojant jas kaip maistą ir skeletą, taip suformuodamos gumulinę išmatų konsistenciją. Nepaisant didelio bakterijų skaičiaus, jų sąveiką su žmogaus organizmu mokslininkai jau seniai laiko griežtai komensalizmo rėmuose, kai mikroorganizmas iš santykių naudos, o makroorganizmas negauna nei naudos, nei žalos. Tačiau tobulėjant genotipų nustatymo metodams, mikrobiotos samprata gerokai pasikeitė.

Nustatyta, kad mikrobiotos rūšių įvairovė siekia 300-700 mikroorganizmų rūšių, o jų bendras genomas susideda iš 10 milijonų genų, o tai 300 kartų daugiau nei žmogaus genomas. Toks mikrobiomo genų apibendrinimas ir jų skaičiaus palyginimas su žmonių skaičiumi čia nėra tik šūkis. Daugelis bakterijų genų funkcionaliai papildo žmogaus branduolinį genomą, o mikroorganizmų sąveika tarp rūšių yra tokia artima, kad kai kurios rūšys tiesiogine prasme negali gyventi viena be kitos. Naujausi atradimai šia kryptimi leido kalbėti apie abipusiai naudingus žmogaus ir mikrobiotos santykius, o jo genų visuma vadinama mikrobiomu arba trečiuoju žmogaus genomu. Norėdami iliustruoti, pateiksiu konkretų pavyzdį.

Mikrobiotos fiziologija

Su augaliniu maistu vartojame fruktozės polimerus (fruktanus), kurių neturime savo fermentų suskaidyti į paprastus cukrus. Neapdoroti fruktanai nepasisavinami, o jų kaupimasis žarnyne sukelia sunkius sutrikimus, o burnos ertmėje juos naudoja karieso bakterijos, kurios prisitvirtina prie dantų emalio. Mums padeda bifidobakterijos ir laktobacilos, turinčios fermentų genus, skaidančius fruktanus į laktatą ir acetatą. Šie metabolitai sukuria rūgštesnes sąlygas, kurios sumažina rūgštims jautrių ir viduriavimą sukeliančių oportunistinių bakterijų dauginimąsi. Be to, laktatas ir acetatas kaip energijos šaltinį naudoja kitų rūšių draugišką mikroflorą, kuri gamina butiratą – pagrindinį žarnyno epitelio ląstelių energijos šaltinį ir intraląstelinių patogenų įsiskverbimo į jas inhibitorių, o šis junginys taip pat sumažina vystosi opinis kolitas ir gaubtinės žarnos vėžys. Taigi, vos kelių rūšių bakterijos iš organizmui pavojingų maisto komponentų sintetina gydomąją medžiagą ir, saugodamos savo nišą nuo konkurentų, kaip premiją žmogui, slopina ligų sukėlėjų augimą jo žarnyne! Dabar įsivaizduokite, kaip dešimtys ir šimtai mikroorganizmų rūšių susijungia į ilgesnes ir labiau išsišakojusias medžiagų apykaitos grandines, kurios gamina nepakeičiamas aminorūgštis, vitaminus ir kitus metabolitus, taip moduliuodami virškinimą, imunitetą ir net mūsų elgesį, įskaitant maistą.

Mikrobiota ir nutukimas

Reikšmingas mikrobiotos poveikis nutukimui pirmą kartą buvo įrodytas visiškai be mikroorganizmų ir auginamas steriliomis sąlygomis. Paprastai sterilios pelės paprastai turi 42% mažiau riebalinio audinio nei panašios pelės su mikroflora. Tuo pačiu metu plonesnės sterilios pelės suvartoja 29% daugiau maisto nei jų pilnesnės mikrofloros pelės. Tyrėjai perkėlė mikroflorą iš normalių į sterilias peles ir per dvi savaites pastebėjo riebalinio audinio padidėjimą 57 %, nepaisant to, kad suvartojamo maisto kiekis sumažėjo 27 %!

Autoriai padarė išvadą, kad mikroflora padeda išgauti daugiau energijos iš mažiau maisto. Tuo pačiu metu virškinimo su mikroflora energetinis efektyvumas padidėja tiek, kad susidaręs kalorijų perteklius kaupiasi riebaliniame audinyje.

Šio tyrimo rezultatai gauti dėl mažos glikozidazių, kurias savarankiškai sintezuoja žinduolių organizmas, įvairovės – fermentų, skaidančių ryšius sudėtingose angliavandenių molekulėse, tokiose kaip augalinės skaidulos. Palyginimui, jei mūsų genome yra tik 20 glikozidazių sintezės genų, tai vien bakterioidų rūšys sintetina 261 glikozidazių tipą, o visame mikrobiome yra 250 000 šių fermentų sintezės genų. Taigi, nesant mikrobiotai, daug energijos turinčios skaidulos palieka organizmą su išmatomis, nepatenkindamos kalorijų poreikio, todėl sterilios pelės valgo daugiau ir sveria mažiau nei normalios mikrofloros kolegos. Šių tyrimų rezultatai netyčia sukelia idėją apie nutukimo gydymo metodą, visiškai sunaikinant mikrobiotą antibiotikais. Tačiau žmogaus ir mikrobiotos koevoliucija nuėjo taip toli, kad šios idėjos įgyvendinti neįmanoma, o klinikiniu požiūriu tai labai pavojinga.

Pirma, skirtingai nei pelės, mes negalime sau leisti gyventi steriliomis sąlygomis. Aplinkoje yra daug patogeninių mikroorganizmų, kurie mielai užims nišas, kuriose nėra natūralios mikrofloros. Pavyzdžiui, moteris, kurios klinikinis atvejis pateiktas straipsnio pradžioje, užsikrėtė Clostridia tik po to, kai buvo gydoma nuo bakterinės vaginozės didelėmis antibiotikų dozėmis. Antra, jau minėjau, kad be mikrobiotos patys nepajėgiame suskaidyti fruktanų, kurių kaupimasis kupinas rimtų virškinimo sutrikimų. Ir galiausiai, trečia, antibiotikų vartojimas praktikoje rodo priešingą efektą – nutukimas pasunkėja, o įvairesnė ir turtingesnės sudėties mikrobiota apsaugo nuo nutukimo.

Antibiotikai ir nutukimas

Nuo praėjusio amžiaus vidurio antibiotikai plačiai naudojami žemės ūkyje, siekiant paspartinti gyvulių svorio augimą. Šiuo tikslu preparatai nuolat dedami į pašarus, dėl to 70% pagamintų antibiotikų išleidžiama gyvulininkystei.

Teigiamas antibiotikų poveikis kūno svoriui nuo seno buvo priskiriamas infekcijų profilaktikai, nes sveikas gyvūnas greičiau priauga svorio. Tačiau vėliau buvo įrodyta, kad šią priklausomybę lemia mikrobiotos sudėties pokyčiai. Panašus antibiotikų poveikis žmogaus kūno svoriui buvo laikomas mažai tikėtinas, nes gydymas antibiotikais taikomas trumpai ir sporadiškai. Tuo tarpu prieš 10 metų atliekant tyrimus buvo nustatyta, kad net vienas antibiotikų kursas per 4 metus sumažina žmogaus mikrobiotos įvairovę. 2017 m. atlikta beveik 500 000 žmonių tyrimų metaanalizė parodė, kad antibiotikų vartojimas kūdikystėje žymiai padidino nutukimo riziką vėliau, o antibiotikų dozė teigiamai koreliavo su nutukimu. Taigi laukiamas kūno svorio sumažėjimas dėl mikrobiotos slopinimo neįvyksta, o ateityje, priešingai, stebimas nutukimo vystymasis. Manoma, kad antibiotikai, selektyviai naikindami jiems jautrias normalios mikrofloros atstovus, formuoja savotišką „nutukimo mikrobiotą“.

Nepertraukiamos medžiagų apykaitos grandinės ir „nutukimo mikrobiotos“samprata

Išbaigta mikrobiota – tai nenutrūkstama medžiagų apykaitos reakcijų grandinė, kuri skaido daug energijos turinčius pluoštus į neturtingus junginius. Tokiu atveju kiekvieną tarpinį metabolitą, kuriame vis dar yra energijos, asimiliuoja kita metabolinės grandinės bakterija, galinti sintetinti fermentus, kad būtų suskaidyta, sugerdama savo energijos dalį. Galutiniai nenutrūkstamos metabolinės grandinės funkcionavimo metabolitai yra trumpos grandinės riebalų rūgštys, kurias daugiausia katabolizuoja žarnyno ląstelės ir kurios nėra sublimuojamos riebaliniame audinyje, o kai kurios jų netgi slopina lipogenezę ir slopina apetitą. Taigi visavertė mikrobiota beveik visiškai išnaudoja skaidulų energiją ir apsaugo šeimininką nuo nutukimo, net jei jis piktnaudžiauja greitaisiais angliavandeniais.

Skirtingai nuo normalios mikrofloros, „nutukimo mikrobiota“yra monotoniška dėl trūkstamų bakterijų rūšių, genčių ar ištisų šeimų, todėl nepajėgi suformuoti ištisinės medžiagų apykaitos grandinės. Kadangi įvairių rūšių skaidulas skaido daugelis mikrobiotos atstovų, kai kurių jų nebuvimas neužblokuoja medžiagų apykaitos grandinės pradžios ir maistinės skaidulos saugiai suskaidomos iki tarpinių metabolitų. Savo ruožtu, nesant bakterijų rūšių, kurios specifiškai skaido tarpinius metabolitus, pastarieji kaupiasi žarnyno spindyje. Skirtingai nuo skaidulų, tarpinius metabolitus organizmas gali pasisavinti, įskaitant riebalinio audinio atsargų didinimą. Taigi „nutukimo mikrobiotoje“yra savotiškų spragų, pro kurias energija „teka“į žmogaus organizmą.

Tariama „nutukimo mikrobiota“buvo patvirtinta eksperimentais, susijusiais su skirtingo kūno sudėjimo žmonių išmatų persodinimu į sterilias peles. Siekiant atmesti kitus veiksnius, transplantacijai skirta mikrobiota buvo įdarbinta iš 8 dvynių, kurių poros skyrėsi nutukimo buvimu ir nebuvimu, o pelės, kurios mikrobiotą gavo iš skirtingo kūno sudėjimo žmonių, gyveno atskirai. Mikrobiota, gauta iš nutukusių dvynių, turėjo nedidelę rūšių sudėtį, palyginti su įvairesne normalaus kūno dvynių mikrobiota.

Dėl eksperimento pelėms, gavusioms „nutukimo mikrobiotą“, jau 8 dieną po transplantacijos pastebėtas reikšmingas kūno riebalų padidėjimas. Tuo pačiu metu pelių, kurios gavo mikrobiotą iš normalaus kūno svorio dvynių, riebalų masė išliko be reikšmingų pokyčių viso eksperimento metu.

Be to, šio tyrimo autoriai nusprendė patikrinti nutukimo užkrečiamumą. Tam pelės, gautos persodinus skirtingą mikrobiotą, po 5 dienų buvo patalpintos į bendrą narvą. Kūno svorio ir kūno sudėties kontrolė 10-ąją bendro gyvenimo dieną parodė, kad pelės, gavusios „nutukimo mikrobiotą“, pirmoje eksperimento dalyje (gyvendamos atskirai) priaugo mažiau riebalų nei panašios pelės ir praktiškai nesiskyrė nuo bendro gyvenimo. pelėms, kurios gavo mikrobiotą iš normalaus kūno sudėjimo dvynių. Mikrobiomų analizė parodė, kad pelių, kurios iš pradžių gavo vienodą „nutukimo mikrobiotą“, mikrobiotos įvairovės padidėjimas. Svarbu tai, kad liesos pelės, kurios iš pradžių gavo įvairią mikrobiotą, nesusirgo nutukimu nuo savo sugyventinių.

Žarnyne esančių metabolitų analizė parodė, kad po pelių, kurios iš pradžių gavo „nutukimo mikrobiotą“, bendro gyvenimo, sumažėjo disacharidų ir padaugėjo trumpos grandinės riebalų rūgščių. Taigi buvo nustatyta, kad įvairi mikrobiota apsaugo nuo nutukimo išsivystymo, o tokios mikrobiotos transplantacija ar natūralus perkėlimas nutukusioms pelėms normalizuoja kūno svorį.

Išvada

Reikėtų pažymėti, kad pelės yra koprofagai, o tai labai palengvina natūralų mikrobiotos mainą tarp sugyventinių. Tačiau žmonių nutukimo mikrobiotos ir epidemiologijos tyrimų rezultatus galima paaiškinti ir mikrofloros mainais per socialines sąveikas. Aukščiau kalbėjau apie tai, kaip lankymas darželyje didina mikrobiotos įvairovę, tačiau mikrofloros mainai gali vykti ir per kitus socialinius ryšius bei gali turėti įtakos nutukimo rizikai. Pavyzdžiui, 1519 amerikiečių karių šeimų medicininių įrašų analizė leido nustatyti, kad šeimos narių kūno masės indeksas, per 24 mėnesius paskyrus juos į naują tarnybos vietą, pakito pagal Lietuvos gyventojų skaičiaus rodiklius. plotas. Šio ir 45 kitų panašių tyrimų autoriai teigia, kad mūsų kūno sudėjimo skirtumai nuo artimiausios aplinkos gali padidinti psichologinį diskomfortą, o tai, savo ruožtu, turi įtakos valgymui ir fiziniam aktyvumui. Tačiau bandymai įrodyti šį priežastinį ryšį iki šiol buvo nesėkmingi. Tuo tarpu mikrobiotos mainai per aplinką ir tiesioginiai kontaktai gali paaiškinti šį reiškinį.

Šiame kontekste mano gyvenimo patirtis taip pat gali būti įdomi. Aš pats vis dar esu draskas ir posakis „ne arklio pašarui“yra apie mane! Ir nuo tada, kai sutikau savo žmoną, ji metai iš metų pradėjo mesti svorį. Tiesa, ji niekada neturėjo nutukimo, tačiau nuo mūsų santykių pradžios pastebimai numetė svorio. Dar būdama studentė juokavo, kad aš ją užkrėčiau savo kirmėlėmis, bet kai tik įsidarbinau laboratorijoje, viską patikrinau ir nieko panašaus neradau. Tada pirmą kartą pasiūliau, kad problema gali būti mano mikrobiotos ypatumai, kuriuos mano žmona pamažu perėmė. Deja, šių savybių mūsų laboratorijoje ištirti neįmanoma, todėl savo „vidinio pasaulio“pavyzdį nusiunčiau į Atlasą analizei. Apie analizės rezultatus parašysiu kitame straipsnyje, kuriame išsamiai papasakosiu apie mikrobiotos koregavimo būdus, siekiant sumažinti kūno svorį (upd: pasakojimas apie rezultatus).